Projekt z przedmiotu
Odnawialne Źródła Energii

Grzegorz Obyrtacz

Grupa 13E4

Dane projektowe – zestaw nr 27:

Ilość mieszkańców: n_u=3

Lokalizacja budynku: Elbląg

Nachylenie dachu: 30 ^o

Odchylenie od kierunku południowego: 30 ^o

Wysokość statyczna: h_st=6 m

Długość rury miedzianej: L=14 m

Cel projektu:

Naszym celem jest zaprojektowanie instalacji solarnej dla budynku określonego powyższymi danymi oraz dobranie wszystkich niezbędnych elementów do wykonania tej instalacji solarnej.

Obliczenia:

Z danych dostępnych na stronie Ministerstwa Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej możemy uzyskać następujące dane dotyczące całkowitego promieniowania słonecznego dla stacji meteorologicznej zlokalizowanej w Elblągu:

1. Stosunek rocznych sum promieniowania całkowitego na powierzchniach nachylonych o β=45^o (kąt nachylenia kolektora) do powierzchni poziomych wynosi średnio 1,14.

2. Suma całkowitego promieniowania wynosi Q_c=1071,57$\frac{\text{kWh}}{m^{2}*miesiac}$

Obliczeń projektowych będę dokonywał dla obiegu grzewczego, który jest:

• Aktywny – ruch wody jest napędzany pompą obiegową,

• Pośredni – występują osobne instalacje zasilania i powrotu wody,

• Jednofunkcyjny,

• Wyposażony w zasobnik, który umożliwia akumulowanie energii słonecznej i energii
  z innego źródła ciepła (np. konwencjonalnego).

Określenie dobowego i rocznego zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową:

Przyjmujemy zużycie ciepłej wody użytkowej na osobę w ciągu doby:

$$V_{\text{c.w.u.o}} = 50\frac{l}{\text{doba}}$$

Dobowe zużycie ciepłej wody użytkowej:

$$V_{\text{dob}} = 3*V_{\text{c.w.u.o}} = 3*50\frac{l}{\text{doba}} = 150\frac{l}{dobe}$$

Roczne zużycie ciepłej wody użytkowej:

$$V_{\text{rok}} = 365*V_{\text{dob}} = 365\frac{\text{doba}}{\text{rok}}*150\frac{l}{\text{doba}} = 54750\frac{l}{\text{rok}}$$

Określenie zapotrzebowania na energię potrzebną do przygotowania c.w.u.:

Dobowe zapotrzebowanie na energię do przygotowania c.w.u.:

$$Q_{\text{dob}} = \frac{m*c_{w}*\Delta T}{3600}$$

Gdzie:

m= 150 kg – masa wody

c_w$= 4,19\ \frac{\text{kJ}}{kg \bullet K}$ – ciepło właściwe wody

ΔT=T_c.w.u.-T_z - różnica temperatur:

T_c.w.u.= 45 ^oC ΔT= 45 ^oC – 10 ^oC

T_z= 10 ^oC ΔT= 35 ^oC

$$Q_{\text{dob}} = \frac{150*4,19*35}{3600} = 6,11\text{\ kWh}$$

Roczne zapotrzebowanie na energię do przygotowania c.w.u.:

Q_rok = 365 * Q_dob = 365 * 6, 11 kWh = 2230, 15 kWh

Obliczanie minimalnej wymaganej powierzchni kolektora F:

$$F = 1,15*\frac{W_{p}Q_{\text{dob}}*365}{\left( W_{w} - K \right)*Q_{c}}$$

Przyjmujemy:

• W_p = 60% = 0,6 – współczynnik pokrycia rocznego zapotrzebowania na energię (jeśli używamy instalacji przez cały rok);

• W_w = 0,50 – stopień sprawności instalacji;

• K = 0,06 – obniżenie stopnia sprawności złym ukierunkowaniem kolektora (odchylenie od kierunku południowego wynosi 30^o);

$$F = 1,15*\frac{0,6*6,11*365}{(0,50 - 0,06)*1071,57} = 3,26m^{2}$$

Wybór kolektora:

HEWALEX – PŁASKI – KS 2000 TLP

• powierzchnia czynna (pracy): f_cz=1,818 m²

• pojemność cieczowa: 1,1 l

• średnica przyłączy (dla 1-4 kolektorów): 22 mm

• wymiary (dł.*szer.*wys.) – 2020x1037x87 mm

• masa – 40 kg

• straty ciśnienia obrazuje poniższy wykres:

Obliczenie wymaganej ilości kolektorów N_k:

$$N_{k} = \frac{F}{f_{\text{cz}}} = \frac{3,26}{1,818} = 1,79 \approx 2$$

Obliczanie pojemności zasobnika na ciepłą wodę użytkową:

$$V = W_{\text{spz}}*V_{\text{c.w.u.}}*n_{m}*\frac{T_{c} - T_{z}}{T_{\text{ps}} - T_{z}}$$

W_spz = (1,5  ÷ 2, 0) = – współczynnik wielkości zasobnika;

T_ps = 60°C – temperatura ciepłej wody użytkowej w zasobniku;

$$V = \left( 1,5 \div 2,0 \right)*50*3*\frac{45 - 10}{60 - 10} = (158 \div 210)\ l$$

V_min = 158 l

V_max = 210 l

Dobór zasobnika:

Biawar Mega Solar klasa A W-E 220.82A

• pojemność: 220 l

• dwie wężownice

• średnica przyłączy wężownic: $\mathbf{0,75}\mathbf{" \approx}\mathbf{19,05}\mathbf{\text{\ mm}}$

• pojemność dolnej wężownicy: 4,2 l

• strata ciśnienia – poniższe wykresy:

Sposób eksploatacji instalacji solarnej:

eksploatacja high-flow (duże natężenie przepływu) jednostkowe natężenie przepływu czynnika grzewczego przez kolektor płaski w odniesieniu do powierzchni jednostkowej kolektora – 40 $\lbrack\frac{l}{h \bullet m^{2}}\rbrack$.

Obliczenie objętościowego natężenia przepływu:

• $\left\lbrack \frac{m^{3}}{s} \right\rbrack = S\ \left\lbrack m^{2} \right\rbrack*40\ \left\lbrack \frac{l}{h \bullet m^{2}} \right\rbrack$

S = N_k * f_cz = 2 * 1, 818 = 3, 636 m²

• $= 3,636 \bullet 40 = 145,36\ \frac{l}{h} = 0,0000404\ \left\lbrack \frac{m^{3}}{s} \right\rbrack$

Dobór średnicy przewodów:

$$\mathbf{}\mathbf{=}A \bullet w = \frac{\Pi \bullet {{d_{w}}^{2}}_{w}}{4} \bullet w \rightarrow \ \ d_{w} = \sqrt{\frac{4 \bullet}{\Pi \bullet w}}\text{\ \ }$$

$$w_{\min} = 0,4\ \frac{m}{s}\ \rightarrow \ d_{\text{w\ max}} = \sqrt{\frac{4 \bullet}{\Pi \bullet w}} = \sqrt{\frac{4 \bullet 0,0000404}{\Pi \bullet 0,4}} = 0,01134\ m = 11,3\ mm$$

$$w_{\max} = 0,7\ \frac{m}{s}\ \rightarrow \ d_{\text{w\ min}} = \sqrt{\frac{4 \bullet}{\Pi \bullet w}} = \sqrt{\frac{4 \bullet 0,0000404}{\Pi \bullet 0,7}} = 0,008572\ m = 8,6\ mm$$

Gdzie:

w_min – minimalna prędkość przepływu w instalacji solarnej;

w_max – maksymalna prędkość przepływu w instalacji solarnej;

d_{w max} – maksymalna średnica wewnętrzna przewodów;

d_{w min} – minimalna średnica wewnętrzna przewodów;

Dobieram rurę o wymiarach:

d_z * g = 12 * 1 mm → d_w = 10 mm

pojemność wodna: 0,079 $\frac{l}{m}$

dopuszczalne ciśnienie robocze: 91 bar

Obliczenie pojemności znamionowej naczynia wzbiorczego:

$$V_{N}\lbrack l\rbrack = \frac{\left( V_{V} + V_{Z} + z \bullet V_{K} \right) \bullet (p_{e} + 1bar)}{p_{e} - p_{\text{st}}}$$

V_A[l]=N_k • V_K + V_W + 0, 133 • L

Gdzie:

V_A – pojemność całkowita instalacji solarnej;

V_K – pojemność cieczowa kolektora;

V_W – pojemność wężownicy dolnej;

L – długość rury miedzianej;

V_A = 2 • 1, 1 + 4, 2 + 0, 079 • 14 = 7, 5 l

V_V [l] = 0, 005 • V_A = 0, 005 • 7, 5 = 0, 0375 l < 3 l → V_V = 3 l

V_V – zabezpieczenie wodne (czynnik grzewczy) w naczyniu - nie może być mniejsze niż 3 litry;

V_Z = V_A * β

β=0,13 – rozszerzalność cieplna

V_z – zwiększenie objętości czynnika podczas nagrzewania instalacji

V_Z = 7, 5 * 0, 13 = 0, 975 l

p_e[bar]=p_si − 0, 1 • p_si = 6 − 0, 1 • 6 = 5, 4 bar

p_si = 6 bar – ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa;

p_st[bar] = 1, 5 + 0, 1 • h_st = 1, 5 + 0, 1 • 6 = 2, 1 bar

p_st – ciśnienie wstępne poduszki gazowej w naczyniu przeponowym [bar];

$$V_{N} = \frac{\left( 3 + 0,975 + 2 \bullet 1,1 \right) \bullet (5,4 + 1)}{5,4 - 2,1} = 11,98\text{\ l}$$

Dobór naczynia wzbiorczego przeponowego:

Solarne naczynie wzbiorcze przeponowe REFLEKS S 13L

• pojemność nominalna: 13 l

Obliczenie wymaganej wysokości podnoszenia:

H  = p_k + p_r + p_w + p_a

p_k – strata ciśnienia czynnika przy przepływie przez kolektory – odczytujemy ją z wykresu strat ciśnienia dla kolektora (dla = 145,44 $\frac{l}{h})$;

p_r - straty ciśnienia na rurociągu ( max $0,25\ \frac{\text{kPa}}{m_{b}}$ );

p_w - opór przepływu czynnika przez wymiennik – odczytujemy go z wykresu strat ciśnienia dla zasobnika (dla = 145,44 $\frac{l}{h})$;

p_a - strata ciśnienia na elementach armatury – przyjmujemy jej wartość równą 10 kPa;

$$p_{r} = 0,25\ \left\lbrack \frac{\text{kPa}}{\text{mb}} \right\rbrack \bullet L\ \left\lbrack m \right\rbrack = 0,25 \bullet 14 = 3,5\text{\ kPa}$$

p_a = 10 kPa

p_k = 600 Pa = 0, 6 kPa

p_w = 7 mbar = 0, 6 kPa

H = 0, 6 + 3, 5 + 0, 6 + 10 = 14, 7 kPa = 1, 47 m_H2O

Dobór pompy:

Na podstawie załączonego poniżej wykresu, oraz wyznaczonych wartości natężenia przepływu ( = 145,44 $\frac{l}{h}$ = 0,14544 $\frac{m^{3}}{h}$ ) i wysokości podnoszenia (H = 1, 47 m_H2O), dobieram pompę.

Wybrana pompa to:

Wilo-Star-St 15/11